冲击碾压:山岛冲击式压实机(三边)

1、概论：冲击压路机是一种新式路基压实机械，1997年5月首次在北京八达岭高速公路补强中应用，同时，国内的科研及工程机械单位也开始研制生产，并将产品投放市场，对路基压实质量的提高产生了很强的推动作用。2005年10月，河南山岛机械有限公司生产的山岛冲击式压路机成套压实设备，首次应用于重庆遂渝无碴高速铁路试验段路基施工，取得明显效果。为了有效提高路基压实度，太原铁路局在新建太原至兴县铁路（太原至静游段）采用山岛冲击压实机械进行路基补强，通过路基试验段施工取得试验参数，分析冲击压路机在路基补强中的作用。

2、工程简介：太兴铁路TXXS-2标段多为黄土路基，湿陷等级Ⅰ～Ⅱ级，湿陷性质分自重与非自重两种。根据设计要求，非自重湿陷性黄土路基基底处理措施为：挖方地段：基底冲击碾压20遍;填方地段：基底冲击碾压40遍。自重湿陷性黄土路基基底处理措施为：挖方地段：基底冲击碾压40遍，填方地段：基底采用重锤夯实。以黄土作为填料的路堤，每填筑1.0m追加冲击碾压20遍。本标段冲击碾压面积286639平方米。结合本标段实际情况，在大面积进行冲击碾压作业前，在娄烦车站站场填方进行试验段施工，冲击碾压选择DK78+293～DK78+430段的冲沟内进行。该段为Ⅱ级自重湿陷性黄土，填方地段基底采用重锤夯实。使用挖方土作为填料，按照设计要求黄土路基每填筑1.0m追加冲击碾压20遍。冲击碾压试验在黄土路基填筑完成1.0m后进行。

3 机械构成及压实作用原理?

本标段采用的河南山岛机械有限公司生产的的SD30（三边）冲击式压路机，牵引机械选用60型冲击压路机牵引机。其冲击轮宽度为2×900mm，质量为16T，最大冲击力能达到25千焦，处理深度最大为5m，动力为400马力。它是集传统的静碾压实、振动压实和打夯机压实三种功能于一身的新型压实设备。

3.1冲击压路机的主要机械构造组成

山岛冲击式压路机主要由“拖架、摇臂、三叶凸形轮”三部分组成，在这三部份之间的相互联结中间设置了多级缓冲结构，牵引轴处采用缓冲弹簧，摇臂限位处采用缓冲橡胶块，另一端采用缓冲油缸和贮能器，冲击轮与拖架之间采用橡胶套连结，摇臂轴处设举升后，冲击轮由拖架上的四个橡胶轮支撑，作为短途转场及跨越桥涵构筑物之用。

现国内所使用的冲击压路机多以“三叶形”为主，由轮式或履带式的大马力牵引车拖动，行驶速度9～15km/h。由于冲击的能量及运行的动力均来自于牵引机械的动力输出，故牵引功率较大，在240～480马力范围内。

3.2冲击压实原理?

压路机在工作中，当牵引车拖动三边弧形轮子向前滚动时，压实轮重心离地面的高度上下交替变化，产生的势能和动能集中向前、向下碾压，形成巨大的冲击波，通过三边弧形轮连续均匀的冲击地面，使土体均匀致密。在此过程中，三边压实轮每旋转一周，其重心抬高和降低三次，对地面产生夯实冲击和振动作用三次。具体冲击作用过程可分为两个阶段：

第一阶段

在牵引的作用下，压实轮依靠与地面的摩擦力沿外廓曲线向前滚动，重心处于曲线最低点时，再向前滚动，重心开始上移，牵引力带来的动能转化成压实轮的势能和动能，并且缓冲机构开始作用，使蓄能器的缓冲液压缸收缩，蓄能器蓄能，具体表现为压实轮的运动滞于机身运动。

第二阶段

当压实轮重心处于曲线最高点向前滚动时，压实轮的势能开始转化为动能，蓄能器缓冲液压缸伸张，蓄能器中的压力能释放，转化为压实轮的动能。具体表现为压实轮的运动快于机身运动，补偿前一阶段滞后的位移，而且由于压实轮的特殊结构，其重心除了具有向前的线速度外，还有一个向下的线速度，直至压实轮另一条曲线的最低点接触地面，向下的线速度达到最大，动能达到最大。当压实轮的另一条曲线与地面接触时，开始对地面产生冲击夯实作用。牵引车的工作速度越大，使在第一阶段中蓄能器的缓冲液压缸收缩越大，蓄能越多。在第二阶段中释放的能量转化为压实轮的动能越大，对地面产生冲击夯实的动能也越多，激振的效果也越好。根据经验和山岛冲击式压路机设计行车速度要求，碾压速度以10～12km/h为宜。?

对于一般路基的非饱和土，冲压轮着地时由于动能释放，在冲压轮下的局部面积（约0.60m×0.80m）产生瞬时的冲击动荷载，向下传递快速挤密深层土颗粒；同时冲击能量以震动波的形式在弹性半空间中传播，使土颗粒相互靠拢，排出孔隙中的气体与水，土颗粒重新排列而挤密压实。

由此可见，山岛冲击压路机的压实原理可归类为轻型强夯，这种夯法结合了压路机连续工作的特点，即把强夯用夯锤一点一点上下夯击方式变连续滚动式的夯击，故有方便简单的特点及较高的工作效率。

4 冲击压路机的压实功效及经济性能

冲击压路机由于较大地增加了压实功，25KJ三叶形山岛冲击压路机的压实功是振动压路机的10倍，所以压实影响深度及有效压实度都有成倍增加。压实影响深度是5m，有效压实厚度1.0～1.5m,可广泛应用于土石路基的填筑及补强，尤适合于补强(详见下表4-1)。

表4-1冲击压路机与强夯、普通压路机的路基适用性、经济指标的对比

项目 冲击压路机(YCT25) 强夯 普通压路机

压实原理 冲击轮滚动产生的动势能转换成冲击路基的动能，压实路基、冲压能量为25KJ。压实原理与强夯相同。有效压实深度1～1.50m。 用具有较大势能的重锤(1000～8000KJ)下落转变成动能，对地基产生动荷载及震动波，挤密压实土体。有效加固深度4～15m。 静力压路机为轮下的静压力对路基产生压应力压实土体，有效压实厚度为0.2～0.25m。振动压路机为振动压力波向深层传递，压实路基,有效压实深度0.3-0.5m。

压实工效 工作速度12～20km/h。每小时可压实面积为：20000㎡/h。按有效压实厚度1.00～1.50m,压实20遍计,压实工效为:1000～1500m3/h。 每小时的夯实面积为:15～25㎡/h。?按轻型强夯加固深度4m计，压实工效为:60～100m3/h。 工作速度3～6km/h。按压实厚度0.4m,压实遍数5遍计，压实工效为:240～360m³/h。

对路基的适用性 适用于路基补强及土方填筑（需普通压路机预压），压实厚度对路基比较合理，施工速度快。最大压实度可超过95%，可形成一层密实硬壳。 仅能适合于路基的原始基础处理及有比较宽工作面的路基处理，施工速度很慢,加固厚度在多数情况有浪费,压实度可超过95%。 适合于各种情况下的路基填筑压实，但须严格按平行作业法分层碾压。最大压实度可达95%。

经济指标 施工单价6元/㎡。每套机械单价80～100万元。机械构造简单，维修方便。 施工单价9元/㎡。每套机械单价约20～40万元。起吊夯锤的起重量设备利用率较低。 施工单价约3元/㎡。每台机械单价约30～50万元。机械可靠性较好，维修较复杂。

通过表4-1的对比分析可看出:冲击压路机是一种比较适合于路基的高效压实机械，综合技术经济指标在土石路基上优于普通压路机。

5 在太兴铁路路基补强工程中的应用情况

为了有效提高路基压实度,确保太兴铁路的路基质量，结合施工现场实际，选择在娄烦站路基填方施做试验段，对冲击压实的规律进行了一系列的试验研究。

5.1试验段的选择及机械选型

1、根据补强施工路段的实际情况、试验任务要求并结合现场施工进展情况，将试验段选择在无埋设涵洞等构造物的地段。试验段两端留有足够的转弯减速与加速长度。试验段长度137m，全幅宽度172m。

2、 碾压参数和检测次数

山岛冲击压实施工机械采用河南山岛机械有限公司制造的SD30型冲击压路机，自重16t。两个冲碾轮为三瓣式凹凸轮，冲击能量25KJ。牵引机械选用 60型冲击压路机牵引机，碾压机械行驶速度为10～12km/h。?

冲碾机械行驶一圈后，根据实测轮迹分析，每个轮瓣产生的轮迹(夯坑)长a=0.7m左右，宽度b=0.8m，双轮外缘总宽2.70m。辗轮每转动一圈前进6.30m左右，产生3个a×b=70×80cm矩形轮迹(夯坑)，碾压第一遍时,前后轮迹中心点纵向排距S1=3，a=2.10m，平行轮迹中心点横向行距S2=2.375，b=1.90m。第二圈右轮迹插入第一圈双轮迹之间时，则形成横向排距S1=0.95，a=0.76m，纵行距S2=1.25，b=0.875m的梅花状轮迹。在冲击碾压前原始状态下先检测一次，每冲击碾压一遍进行一次检测与观测，试验段共碾压20遍。采用多种综合手段进行试验检测,每遍检测内容为：压沉量观测、核子密度仪检测、灌砂试验。

5.2试验段检测结果述评

试验段为高填方路堤，该地段位于横向大冲沟内，冲沟底口宽92m，上口宽137m，路堤坡脚全宽172m。路基填料为挖方利用土，为第四系上更新统砂质黄土，具湿陷性。

1、不同碾压遍数的压实度随深度变化规律?

碾压前(0遍)和碾压8、16、20遍时各检测点平均压实度随深度及碾压遍数变化统计结果见表5.2-1。

指标/深度 压实度K

0遍 8遍 16遍 20遍

0.2～0.4 0.91 >1 >1 >1

0.4～0.6 0.91 0.93 0.95 0.98

0.6～0.8 0.92 0.92 0.93 0.97

0.8～1.0 0.92 0.93 0.94 0.95

表5.2-1压实度与碾压遍数统计结果

检测结果表明：?

(1) 冲碾前采用普通振动压路机碾压方法施工后，成型路基压实度满足规范要求的0.9压实度标准。?

(2) 冲碾后在0.8m深度内，压实度随碾压遍数增加而明显增大，深度愈浅，压实度增长幅度愈大。1.0m深度处，压实度随碾压遍数增加增长不明显。碾压20遍以后，1.0m以上深度路基压实度达到0.95以上的质量标准。说明该试验段冲击碾压在1.0m加固深度内是有效。

(3) 碾压20遍后,有效加固深度范围内压实度没有明显增长,说明冲击碾压对路基补强施工采用20遍是适宜的。

2、路基压沉量随碾压遍数的变化规律?

碾压前和碾压8、16、20遍时各观测点平均压沉量统计结果见表5.2-2。?

断面号 8遍 16遍 20遍 累计值

DK78+320 3.57 1.42 0.49 5.48

DK78+360 3.45 1.34 0.07 4.86

DK78+400 3.83 -0.61 1.76 4.98

平均值 3.62 0.72 0.77

累计值 3.62 4.34 5.11

表5.2-2平均压沉量观测结果?

测试结果表明:

(1) 检测段为填方路堤,已经振动压路机压实,冲击碾压后有一定的压沉量。碾压20遍后，一般最终压沉量累计达4.86～5.48cm。?

(2) 随着碾压遍数的增大，压沉量有不断增大的明显规律，碾压8遍压沉量增长幅度最大，8遍后压沉量增长幅度锐减并渐趋为定值。?

(3) 由于冲击碾压期间时逢降雨，路堑排水渠道积水侧渗导致DK78+400处含水量增大,在碾压16遍后即出现反复鼓胀隆起，经冲碾后局部含水量偏高区产生橡皮土。说明冲击碾压可以检验出饱水软弱路基。?

3、冲击碾压前后路基的水稳定性变化?

试验区原砂质黄土具湿陷性，湿陷性土层分布厚度大于2.0m,冲击碾压处理范围为1m,为评价冲碾补强路基在饱水条件下的稳定性，将采取的冲碾前和冲碾8、16、20遍后路基1.0m深度内的原状样进行室内湿陷性试验。将试样在天然湿度下逐级加压至200KPa稳定后浸水，测定其湿陷系数。?

表5.2-3路堤各深度平均湿陷系数

深度(m) 0遍 8遍 16遍 20遍

0.2～0.4 0.013 0.011 0.006 0.004

0.4～0.6 0.016 0.011 0.010 0.009

0.6～0.8 0.021 0.018 0.016 0.011

0.8～1.0 0.019 0.015 0.014 0.012

试验结果表明，冲碾补强前路基土0.6m以上不具湿陷性，0.6～1.8m深度湿陷系数δs均大于0.015，具轻微湿陷性。经碾压20遍后，1.0m以上地基土的湿陷性基本消除，说明冲击碾压对1m深度范围内路基土的水稳性有明显提高。

6 结束语

冲击碾压作为路基补强的重要手段，从机械设备的选择，冲击碾压的遍数，到冲击压路机的合理走行速率，冲击碾压后的处理，后续的质量检查等环节，都必须严格按照标准操作。

通过太兴铁路路基试验段的工程实践表明，冲击碾压工艺与普通振动压实相比，可以明显提高路基的密实度，基本消除湿陷性黄土的湿陷量。在同等施工条件下，经过试验检测证实，其压实度由原来的90%～92%提高到95%～，湿陷系数由原来的0.013～0.021降低到0.004～0.012。通过对太兴铁路黄土路基试验段冲击碾压工作的实践，初步掌握了冲击碾压的施工经验，可为后续大面积黄土路基冲击碾压施工提供借鉴。